黃曉林

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，廣東 韶關(guān) 512126)

單片機是微型計算機應(yīng)用技術(shù)的一個重要分支，具有功能強大、設(shè)計靈活和穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，對各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品設(shè)備的更新?lián)Q代起著重要的推動作用［1］。目前幾乎所有高等院校的理工科電氣類專業(yè)都開設(shè)了單片機應(yīng)用技術(shù)課程，課程內(nèi)容涉及硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計等多方面的知識，是一門理論性和實踐性均很強的學(xué)科。在傳統(tǒng)的單片機技術(shù)教學(xué)模式下，單片機技術(shù)的實踐性教學(xué)過程一般使用實驗箱通過做實驗來完成。但是由于實驗箱生產(chǎn)廠家不提供全套設(shè)備的電路原理圖，導(dǎo)致實驗箱維護維修非常困難，實驗室管理員不得不將故障實驗箱寄回生產(chǎn)廠家維修，不但費用高，而且周期較長，難于保證正常開展單片機技術(shù)實驗教學(xué)任務(wù)。同時由于實驗箱的電路硬件固定不變，硬件資源陳舊有限，又沒有開放I/O接口資源，不但難于根據(jù)教材內(nèi)容的更新相應(yīng)地改動實驗內(nèi)容，而且對于應(yīng)用新材料、新元件開發(fā)研究新課題也非常困難。

基于上述客觀存在的實際問題，本文提出一種基于“即插即用”組件為指導(dǎo)思想的開放式單片機實驗平臺研制方法。實驗平臺提供通用主板和基本獨立功能的組件板，完全開放所有的I/O接口資源，既可以單獨使用一塊組件板，也可以組合選擇多塊組件板，還可以用自主選材、自主設(shè)計和焊接功能組件板，然后通過統(tǒng)一的接線方式接插到通用主板上組成控制系統(tǒng)，不但能很好地完成單片機實驗教學(xué)任務(wù)和開發(fā)研究新課題，而且把硬件故障率最大限度地平均分配到各功能組件板上，硬件維修方便。

1 實驗平臺的基本組成及其特點

開放式實驗平臺由通用主板和功能相互獨立的組件板組成。其中通用主板內(nèi)部具有RS－232串行通信功能，支持功能組件板的下降沿或上升沿中斷信號請求，能為功能組件板提供多種頻率的信號，同時對功能組件板完全開放所有的I/O資源。實驗平臺提供的組件板有基本輸入輸出組件、SPI總線接口組件、I2C總線接口組件、液晶顯示器組件、A/D轉(zhuǎn)換組件和D/A轉(zhuǎn)換組件等一般單片機實驗教學(xué)中常用的電路接口。

與普通實驗箱相比開放式實驗平臺結(jié)構(gòu)更簡單，使用更方便靈活，在技術(shù)創(chuàng)新方面具有如下特點:(1)每塊組件板在功能上是相互獨立的，但在與通用主板的接口上是統(tǒng)一的，都能接插到通用主板的任意一個I/O接口。既可單獨一塊組件板與通用主板連接組成簡單的控制系統(tǒng)，也可選擇幾塊組件板組合與通用主板連接組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，對編寫的軟件進行功能驗證;還可把臨時焊接的自主設(shè)計功能組件板接插到通用主板上對硬件電路進行調(diào)試，實現(xiàn)實驗平臺的即插即用功能。(2)可以直接通過RS－232串行通信接口在系統(tǒng)下載目標程序到程序儲存器上后直接運行，不再需要仿真器或?qū)ｉT的程序燒錄器，軟件功能的驗證和硬件電路的調(diào)試都方便。(3)能把硬件故障率最大限度地平均分配到功能組件板上，通過運行硬件維護自動檢測程序能快速判斷硬件故障的類型和大致的位置，硬件故障排除簡單。

2 實驗平臺的硬件設(shè)計

2.1 通用主板的電路設(shè)計

通用主板是實驗平臺的基板，選擇可在系統(tǒng)編程的STC89C52單片機為控制核心，通過插座的方式完全開放所有的I/O資源，通用主板的電路原理圖如圖1所示。

圖1 通用主板的電路原理圖

其中STC89C52單片機有512個字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器和8K字節(jié)片內(nèi)FLASH程序存儲器，不需要外擴存儲器，完全能夠滿足一般單片機實驗教學(xué)時臨時組建的控制系統(tǒng)程序運行和數(shù)據(jù)存儲的需要［2－5］。撥動開關(guān)S1和芯片74LS04組成為功能組件板外部中斷請求的信號輸入，當功能組件板的外部中斷請求信號為下降沿時，中斷請求信號由撥動開關(guān)直接輸入到單片機;當功能組件板的外部中斷請求信號為上升沿時，中斷請求信號由芯片74LS04反向后再由撥動開關(guān)輸入到單片機。芯片74LS393對單片機的ALE信號進行分頻，為外部功能組件板提供多種頻率信號。為能更好地控制使用外部功能組件板，由芯片74LS138譯碼器為通用主板的每個I/O接口分配I/O地址。

通用主板自帶有串行通信接口電路，上位PC機與通用主板通過串行通信接口電路相互傳輸數(shù)據(jù)，也可以將目標程序從串行通信接口直接下載到單片機程序存儲器。由于上位PC機配置的標準通信接口的信號電平為±12 V，而單片機的輸入輸出信號為TTL電平，所以上位PC機與單片機之間的連接需要通過芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 基本輸入、輸出組件的電路設(shè)計

基本輸入、輸出組件用來完成單片機輸入輸出程序控制的驗證式實驗。圖2為基本輸入、輸出組件的電路原理圖，兩個開關(guān)組成四個狀態(tài)為輸入設(shè)備，八個發(fā)光二極管組成流水燈為輸出設(shè)備。組件通過撥動開關(guān)既可以用直通方式控制，也可以用固定I/O地址方式控制。由于單片機I/O口的驅(qū)動能力有限，所以通過芯片74HC245為流水燈提供驅(qū)動電流。

2.3 SPI總線接口組件的電路設(shè)計

SPI總線接口是一種高速的同步串行接口，主要應(yīng)用于單片機與外部接口芯片的數(shù)據(jù)交換，已經(jīng)逐步成為一種標準的工業(yè)接口。SPI總線接口組件用來完成單片機在SPI總線方式下程序控制的驗證式實驗，如圖3所示。74HC595芯片是一個串行輸入、并行輸出的帶鎖存移位寄存器，在同步時鐘信號SRCLK的控制下，數(shù)據(jù)從串行輸入端SER寫入移位寄存器。當全部數(shù)據(jù)寫完之后，在同步時鐘信號RCLK的控制下，再把移位寄存器中的數(shù)據(jù)一次性轉(zhuǎn)存到存儲寄存器中并全部輸出控制數(shù)碼管動態(tài)顯示［6－8］。

圖2 串行通信接口的電路原理圖

圖3 基本輸入、輸出組件的電路原理圖

2.4 D/A轉(zhuǎn)換組件的電路設(shè)計

D/A轉(zhuǎn)換組件用來完成在單片機程序控制下將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出的驗證式實驗，如圖4所示。其中DA0832芯片是電流輸出型8位D/A轉(zhuǎn)換器，電路采用單緩沖接口方式，通過LM358運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)輸出的模擬信號幅值。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換組件的電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換接口是單片機技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中最重要的硬件接口技術(shù)。A/D轉(zhuǎn)換組件用來完成在單片機程序控制下A/D轉(zhuǎn)換的驗證式實驗，如圖5所示。其中ADC0809芯片是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，具有8個模擬量的輸入通道，但在某一時刻只能選擇一個輸入通道進行A/D轉(zhuǎn)換。本組件只使用輸入通道0，模擬信號量通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)產(chǎn)生。由于ADC0809芯片的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志的輸出端EOC在A/D轉(zhuǎn)換期間輸出為低電平，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出為高電平。因此，使用中斷方式進行A/D轉(zhuǎn)換時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志輸出端EOC必須與通用主板的74LS04芯片連接，經(jīng)反向后再連接到單片機的外部中斷請求輸入端。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換組件的電路原理圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換組件的電路原理圖

3 實驗平臺的維護程序設(shè)計

開放式單片機實驗平臺的各組件板在功能上基本是獨立的，都可以通過統(tǒng)一的接線方式直接插到通用主板上組成簡單的控制系統(tǒng)。當某塊功能組件板有故障時并不影響其他組件板的功能，因此可以把實驗平臺的硬件故障率最大限度地平均分配到各功能組件板上。由于由通用主板和單個組件板組成的簡單控制系統(tǒng)的元器件較少，因此硬件故障維修方便。為提高硬件故障維修效率，可以針對特定的組件板編寫特定的硬件檢測程序來檢測故障，并利用顯示或聲音報警的方式來指示硬件故障的類型和可能位置。圖6為SPI總線接口組件檢測程序的流程圖，當檢測程序運行時，通過數(shù)碼管顯示可以很容易地判斷是數(shù)碼管還是74HC595芯片的故障。

圖6 SPI總線組件檢測程序流程圖

4 結(jié)束語

開放式單片機實驗平臺的各組件板在功能上是相互獨立的，這種設(shè)計能把硬件故障率最大限度地平均分配到功能組件板上，硬件故障排除方便快捷。由于采用可在系統(tǒng)編程技術(shù)，不再需要仿真器或?qū)ｉT的程序燒錄器就能實現(xiàn)目標程序和硬件電路的在線調(diào)試，極大地提高了實驗平臺利用率。結(jié)果表明，實驗平臺的靈活性好，不但能很好地配合單片機課堂理論教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容開展實驗，而且通過完全開放的I/O接口，有較大的擴展空間，支持臨時焊接的自主設(shè)計功能組件板組建控制系統(tǒng)進行跨課程、跨專業(yè)的新課題的研究，對提高師生單片機技術(shù)的實際應(yīng)用能力具有較高的實用性。

［1］宏晶科技(深圳)有限公司.STC89C52系列單片機器件手冊［S］.

［2］肖大薇.單片機創(chuàng)新實驗板系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2012，20(19):29－32.

［3］鄒家柱.單片機實驗開放板的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.裝備制造技術(shù)，2011(7):75－77.

［4］汪健，楊風(fēng)開.一種新型單片機/ARM/DSP實驗裝置的研制［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34(2):65－67.

［5］胡汗才.單片機原理及其接口技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［6］雷伏容.單片機常用模塊設(shè)計查詢手冊［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［7］陳海松.單片機應(yīng)用技能項目化教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［8］李法春.C51單片機應(yīng)用設(shè)計與技能訓(xùn)練［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.